本发明涉及利用太阳能、 水能、 风能等可再生能源发电产生的过剩电能对工业 烟气 进行能源转化处理的技术， 具体地指一种利用过剩电能将烟气中的二氧化 碳转化成天然 气的工艺及设备。 背景技术

目前， 全球每年 160多亿吨标煤的能源消费总量中， 90%以上为煤炭、 石油、 天然气 等化石能源， 我国也不例外， 由此带来了极其巨量的二氧化碳排放。 进入二十一世纪以 来， 人类所面临的最大挑战之一就是二氧化碳大量 排放所造成的温室效应， 由此引起全 球变暖、 气候变化、 以及对生态、 经济、 社会等方面产生综合影响的全球性环境问题。 2010年全球二氧化碳排放量已升至 306亿吨以上，我国已成为二氧化碳排放第一大 国，而 且排放量还在不断增加。 全球性的能源短缺和二氧化碳所引起的日益严 重的环境问题迫 使人们去寻找解决这些问题的途径。

为了解决上述问题， 可再生能源的利用得到了空前扩展。 据不完全统计， 当前我国 水电、 核电、 风电、 太阳能等非化石能源占一次能源消费总量的比 重在逐年扩大， 在十 二五期间其比重将由当前的 8.3%提高到 11.4%， 到 2020年非化石能源占一次能源消费总 量的比重将达到 15%。 为实现这一目标， 发展可再生能源势在必行。

然而， 2011年国家电监会发布的 《风电、 光伏发电情况监管报告》 显示， 过去的半 年内， 我国风能发电但无法被人们所用的弃用风电电 量就达 27.76亿度。 国家电监会称， 由于缺乏具体的风电送出和风电消纳方案， 大规模风电送出消纳的矛盾日益突出， 上网 障碍已成为制约风电发展的关键问题。

在水力发电方面， 我国建成超过 50万 kW以上水电站的数量已经达到 28个，其总装机 容量达到 5098万千瓦。 在 2010年， 我国十二大水电基地规划 （包括已建） 装机总容量达 到 20523.2万千瓦，年发电量达到 9458.8亿 kW_h。在水力发电项目的丰水期，发电量充足� � 但在丰水期许多电量无法送出， 导致上网电价非常低廉， 造成电能的损失或者设备的停 车损耗。 在太阳能发电方面，我国 2010年光伏发电市场装机量达到 400兆瓦，在全球总装机量 中占 3%。 按照国家能源局的规划， 到 2015年， 我国太阳能装机容量将达到 1000万千瓦以 上； 到 2020年， 太阳能装机容量将达 4000万千瓦以上。 但是其中一些电能必然会存在并 网瓶颈问题。

如何充分利用上述可再生能源发电产生的过剩 电能， 进而有效实现节能减排、 降低 温室效应的目的， 一直是本领域技术人员试图解决的难题。 发明内容

本发明的目的旨在解决可再生能源发电存在上 网障碍或短时间过剩难以储存的缺 陷、 以及化石能源发电存在温室气体污染环境的问 题， 提供一种利用过剩电能将烟气中 的二氧化碳转化成天然气的工艺及设备。

为实现上述目的， 本发明所设计利用过剩电能将烟气中的二氧化 碳转化成天然气的 工艺， 其核心思路是先利用过剩电能电解水产生氢气 ， 然后将氢气与工业烟气中捕集下 来的二氧化碳发生甲烷化反应， 从而合成得到可以方便储存或输送的天然气， 同时可使 工业烟气中排放的二氧化碳得到合理化应用。 该工艺包括如下步骤：

1 )将可再生能源发电产生的难以储存或并网障� �的过剩电能变压及整流之后，通入 到电解质溶液中， 将其中的水电解分离成 H ₂ 和 0 ₂ ， 并将 H ₂ 中的水份处理干净；

2)对工业排放的烟气进行净化处理，使其中所� ��的 C0 ₂ 分离出来， 并对捕获的 C0 ₂ 进行纯化处理；

3 ) 将步骤 1 ) 产生的 ¾与步骤 2) 捕获的 C0 ₂ 输送到由至少由两级固定床反应器 组成的合成设备中， 使 ¾与 C0 ₂ 在催化剂的作用下完成甲烷化强放热反应 ， 生成主要 组份为 CH ₄ 和水蒸汽的高温混合气体；

4)用步骤 3 ) 生成的高温混合气体对工艺用水进行间接换热 处理， 使工艺用水最终 转化为过热水蒸汽；

5 )将步骤 4)产生的过热水蒸汽输入到汽轮发电机中做功� �� 所产生的电能返回到步 骤 1 ) 中进行变压及整流处理， 继续用来电解水；

6)对步骤 4)中经过换热降温后的混合气体进行冷凝干燥� ��理， 直至获得 CH ₄ 含量 符合标准的天然气。 这些天然气 （SNG) 可以加压输送到现有天然气管网中， 或增压成 液化天然气 （LNG) 进行运输。

进一步地， 上述步骤 1 ) 中， 可再生能源为太阳能、 水能、 风能中的一种或其组合， 这几种可再生能源最为环保、低廉、 安全。 电解质溶液优选密度为 1.2〜 1 .4kg/m ³ 的氢氧 化钾溶液或其他同类溶液， 电解质溶液的反应温度控制在 90±2°C， 其电解水的反应机理 如下： 2H ₂ 0=2H ₂ †+0 ₂ †。 与单纯的水相比， 采用电解质溶液可以大幅降低电解反应的温 度， 节约电耗。 所生产的 ¾和 0 ₂ 经水份脱除、 冷却降温后， ¾用于进行下一步反应， 0 ₂ 则可以作为副产品加以其他利用。

进一步地， 上述步骤 3 ) 中， 各级固定床反应器的进口温度为 250〜300°C， 反应压 力为 3〜4Mpa， 出口温度为 350〜700°C 。 H ₂ 与 C0 ₂ 的甲烷化反应机理如下： 4H ₂ +CO ₂ =CH ₄ +2H ₂ O+4160Kj/kg'CO ₂ 。 具体操作时， 一般按照体积比为 ¾： C0 ₂ =4： 1 的比例将它们混合输送至固定床反应器中， 在镍基或同类催化剂的作用下进行强放热反 应， 同时释放出大量热量， 使产生的混合气体温度得到很大提高。 设置至少两级固定床 反应器的目的是确保 ¾与 C0 ₂ 充分反应， 提高 ¾的利用效率。

进一步地， 所述步骤 3 ) 中， 从第一级固定床反应器输出的高温混合气体中 分流一 部分， 对其进行冷却脱水、 加压、 升温处理， 再与新鲜的 ¾和 C0 ₂ 混合， 使混合气体 中 C0 ₂ 的体积含量在 6〜8%之间， 输送回第一级固定床反应器中。 这样， 一方面可以通 过返回的高温气体预热新鲜的 ¾和 C0 ₂ 气体， 节省能耗， 另一方面可以通过对 C0 ₂ 体 积含量的调节控制反应热， 进而控制固定床反应器的最高出口温度， 使催化剂在允许温 度下不失去活性， 确保固定床反应器稳定运行。

进一步地， 所述步骤 4) 中， 先将工艺用水升温成过热水， 再将过热水转化成水蒸 汽， 最后使水蒸汽转化为过热水蒸汽。 这样， 可以使工艺用水连续、 稳定、 可靠地转化 成过热水蒸汽， 确保汽轮发动机始终不间断地发电， 其产生的电能继续用来电解水， 从 而使甲烷化反应生产的高热得以充分利用， 提高可再生能源的转化效率。

进一步地， 所述步骤 5 ) 中， 将推动汽轮机做功后产生的乏汽冷凝成水， 送回到工 艺用水管路中循环使用。 这样， 可以有效提高工艺用水的利用效率， 节约水资源。

进一步地， 所述步骤 6) 中， 将从混合气体中冷凝下来的水送回到工艺用水 管路中 循环使用。 这样， 可以有效提高工艺用水的利用效率， 节约水资源。

同样， 为实现上述目的， 本发明所设计利用过剩电能将二氧化碳转化成 天然气的设 备， 包括变压及整流装置、 电解槽、 汽轮发电机、 二氧化碳加热器、 第一级固定床反应 器、 第二级固定床反应器、 天然气冷凝器和工艺用水管路。 其特殊之处在于： 变压及整 流装置的输出端与电解槽的电源接口相连， 电解槽的阴极气液出口与氢气分离器的气液 输入端相连， 氢气分离器的液体输出端与电解槽的阴极回液 口相连， 氢气分离器的 H ₂ 输出端与氢气冷却器的进口相连， 氢气冷却器的出口和二氧化碳加热器的出口同 时与第 一级固定床反应器的进口相连， 第一级固定床反应器的出口依次通过过热器和 一级换热 器的混合气管路与第二级固定床反应器的进口 相连， 第二级固定床反应器的出口依次通 过二级换热器和预热器的混合气管路与天然气 冷凝器的输入端相连。 工艺用水管路与预 热器的水介质进口相连， 预热器的水介质出口通过汽包与过热器的蒸汽 进口相连， 过热 器的蒸汽出口与汽轮发电机的蒸汽输入端相连 ， 汽轮发电机的电输出端与变压及整流装 置的输入端相连。

作为优选方案， 上述一级换热器的混合气输出端还分出一支路 与循环换热器的热介 质进口相连， 循环换热器的热介质出口通过循环冷却器与循 环压縮机的输入端相连， 循 环压縮机的输出端则与循环换热器的被加热介 质进口相连， 循环换热器的被加热介质出 口与第一级固定床反应器的进口相连。 这样， 可以使反应生成的一部分高温混合气体通 过自循环的方式重新进入第一级固定床反应器 中， 实现对新鲜 H ₂ 和 C0 ₂ 气体的预热， 从而节省能耗， 确保反应连续进行。

作为另一种优选方案， 上述第一级固定床反应器和第二级固定床反应 器之间还设置 有中间固定床反应器， 中间固定床反应器的进口与一级换热器的混合 气输出端相连， 中 间固定床反应器的出口通过中间换热器与第二 级固定床反应器的进口相连。 这样， 实际 上设置有三级固定床反应器， 可以逐级分配 H ₂ 与 C0 ₂ 的甲烷化反应率， 直至原料反应 完全。 同时， 可以逐级降低固定床反应器的温度， 获得不同品质（温度、 压力） 的蒸汽， 以适于汽轮发电机的需要。

进一步地， 上述汽轮发电机的乏汽输出端通过乏汽冷凝器 与工艺用水管路相连。 这 样， 可以节约水资源， 提高工艺用水的利用率。

进一步地， 上述工艺用水管路还与氢气分离器的气液输入 端相连。 这样， 可以通过 氢气分离器将水输送到电解槽中， 补充电解反应过程中水的损耗， 同时用来冷却电解水 过程中产生的热量。 进一步地， 上述天然气冷凝器的凝结水输出端与预热器的 水介质进口相连。 这样， 可以节约水资源， 提高工艺用水的利用率。

本发明具有以下突出效果：

其一， 利用太阳能、水能、风能等可再生能源发电产 生的过剩电能电解水生产氢气， 再将氢气与从工业烟气中捕获的二氧化碳进行 甲烷化反应， 可以将二氧化碳转化为便于 储运的甲烷燃料（即天然气的主要成份），从 而可以很方便地将其导入现有的天然气管网 系统中， 也可以将其增压处理得到液化天然气， 通过槽车输送。 这样， 有效解决了上述 过剩电能上网障碍或短时过剩而产生的储电难 问题。

其二， 在将氢气与二氧化碳合成转变成甲烷的过程中 ， 烟气中大量的二氧化碳被吸 收利用， 达到了减排二氧化碳的目的， 解决了化石燃料产生巨量二氧化碳的减排难题 ， 具有巨大的经济效益和社会效益。

其三，氢气与二氧化碳的甲烷化反应是强放热 反应，反应过程中会释放出大量热能， 将此热能用来产生高温过热蒸汽继续发电， 再将电能用于电解水的循环， 从而能够大幅 提高可再生能源的转化效率。

其四， 氢气与二氧化碳的甲烷化反应的终产物中， 只有作为天然气燃料的甲烷和水 蒸汽， 没有其他毒副产物， 从而既可以确保天然气的品质， 又可以减轻温室气体对环境 的污染， 一举二得。 附图说明

图 1为一种利用过剩电能将烟气中的二氧化碳转� �成天然气的设备的结构示意图。 图 2 为另一种利用过剩电能将烟气中的二氧化碳转 化成天然气的设备的结构示意 图。 具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的工艺及 设备作进一步的详细描述。

实施例 1 : 如图 1所示的一种利用过剩电能将二氧化碳转化成� �然气的设备， 主要 由变压及整流装置 1、 电解槽 2、汽轮发电机 4、 二氧化碳加热器 21、第一级固定床反应 器 13、第二级固定床反应器 11、天然气冷凝器 8和工艺用水管路 3等部件组成。变压及 整流装置 1的输出端与电解槽 2的电源接口相连。 电解槽 2的阳极气液出口与氧气分离 器 20的气液输入端相连， 氧气分离器 20的液体输出端与电解槽 2的阳极回液口相连， 氧气分离器 20的 0 ₂ 输出端与氧气冷却器 19的进口相连， 氧气冷却器 19的出口可以与 0 ₂ 加压槽车或装瓶设备相连 （图中未示出）， 以备其他工业利用。 电解槽 2的阴极气液 出口与氢气分离器 18的气液输入端相连， 氢气分离器 18的气液输入端还与工艺用水管 路 3相连，用以补充水份损耗；氢气分离器 18的液体输出端与电解槽 2的阴极回液口相 连， 氢气分离器 18的 H ₂ 输出端与氢气冷却器 17的进口相连， 氢气冷却器 17的出口和 二氧化碳加热器 21的出口同时与第一级固定床反应器 13的进口相连，用以将新鲜的 H ₂ 与 C0 ₂ 的输送到第一级固定床反应器 13内部。

第一级固定床反应器 13的出口依次通过过热器 6和一级换热器 7的混合气管路与第 二级固定床反应器 11的进口相连。一级换热器 7的混合气输出端还分出一支路与循环换 热器 16的热介质进口相连，循环换热器 16的热介质出口通过循环冷却器 15与循环压縮 机 14的输入端相连，循环压縮机 14的输出端则与循环换热器 16的被加热介质进口相连， 循环换热器 16的被加热介质出口与第一级固定床反应器 13的进口相连。

第二级固定床反应器 11的出口依次通过二级换热器 10和预热器 9的混合气管路与 天然气冷凝器 8的输入端相连。 工艺用水管路 3与预热器 9的水介质进口相连， 预热器 9的水介质出口通过汽包 12与过热器 6的蒸汽进口相连，过热器 6的蒸汽出口与汽轮发 电机 4的蒸汽输入端相连， 汽轮发电机 4的乏汽输出端通过乏汽冷凝器 5与工艺用水管 路 3相连， 汽轮发电机 4的电输出端则与变压及整流装置 1的输入端相连， 以给电解水 提供电能。 另外， 天然气冷凝器 8的凝结水输出端也可以与预热器 9的水介质进口相连 (图中未示出）， 用以将凝结水返回到系统中循环利用。

上述利用过剩电能将烟气中的二氧化碳转化成 天然气的设备的工艺流程如下： 太阳能、 水能或风能等可再生能源发电所产生的过剩电 能经过变压及整流装置 1处 理成所需的电流后，提供电解槽 2的工作电源。电解槽 2内的电解质溶液采用密度为 1.2〜 1 .4kg/m ³ 的氢氧化钾溶液， 其反应温度控制在 90±2°C。 此时， 电解槽 2的阳极和阴极 分别产生携带有电解质溶液的 0 ₂ 和 ¾。 所产生的 0 ₂ 经过氧气分离器 20后， 其中的电 解质溶液与被分离出来， 返回电解槽 2中继续参加反应， 0 ₂ 再进入氧气冷却器 19冷却 至 45°C左右脱水， 脱水后输送至加压槽车或装瓶设备， 以备工业利用。 所产生的 H ₂ 经 过氢气分离器 18后， 其中的电解质溶液被分离出来， 返回电解槽 2中继续参加反应， H ₂ 再进入氢气冷却器 17冷却至 45 °C左右脱水， 进入下一步反应。 电解损耗的水通过工 艺用水管路 3输入到氢气分离器 18中，进而补充到电解槽 2中， 同时用来冷却电解水过 程中产生的热量。

与此同时， 将从烟气中捕获纯化的 C0 ₂ 导入二氧化碳加热器 21 内， 经过加热升温 后， 与脱水纯化的 ¾按照体积比为 ¾： C0 ₂ =4： 1的比例混合成新鲜气体， 输送至第一 级固定床反应器 13中进行甲烷化强放热反应。 为了控制 ¾与 C0 ₂ 的甲烷化反应热， 可 在二氧化碳加热器 21 中加入一定量的 CH ₄ ， 一般按照体积 比为 ¾： C0 ₂ ： CH ₄ =4： 1： 0.5 的比例进行混合， 反应运行稳定后可停加 CH ₄ 。 保持第一级 固定床反应器 13的进口温度为 250〜300°C、反应压力为 3〜4Mpa、出口温度为 600〜700°C， 在镍基催化剂的作用下大部分 H ₂ 与 C0 ₂ 反应生成 CH ₄ 和水蒸汽的高温混合气体。 该高 温混合气体依次由过热器 6和一级换热器 7降温至 250〜300°C后， 分流为两部分。 其中 一部分高温混合气体经过循环换热器 16的热介质管路进入循环冷却器 15中， 换热降温 至 30〜40°C， 再经过循环压縮机 14将压力提高到 3〜4Mpa、 温度升高到 180〜200°C， 最 后经过循环换热器 16的被加热介质管路，进一步加热至 250〜300°C，与新鲜的 ¾和 C0 ₂ 混合，使混合气体中 C0 ₂ 的体积含量在 6〜8%之间，输送到第一级固定床反应器 13内部， 如此循环。通过上述循环预热新鲜 H ₂ 和 C0 ₂ ， 可以大幅节省能耗， 控制第一级固定床反 应器 13出口温度。 另一部分高温混合气体则输入到第二级固定床 反应器 11内， 保持第 二级固定床反应器 11 的进口温度为 250〜300°C、 反应压力为 3〜4Mpa、 出口温度为 350-500 °C , 使其中未反应的 H ₂ 和 C0 ₂ 继续完成甲烷化强放热反应， 直至所有原料反应 完毕。

从第二级固定床反应器 11输出的 CH ₄ 和水蒸汽的高温混合气体依次经过二级换 热 器 10和预热器 9换热降温后， 再经过天然气冷凝器 8进一步冷却， 其中的气体 CH ₄ 冷 却到 45〜50°C， 并由天然气冷凝器 8的气体输出端流出， 纯度达 94%以上的 CH ₄ 经加压 成为 SNG/LNG (天然气 /液化天然气）， 通过管道输送到现有的管网 /槽车加以储存和利 用； 而其中的凝结水则由天然气冷凝器 8的凝结水输出端流出， 输送到预热器 9的水介 质进口中循环利用。

在上述甲烷化强放热反应过程中， 工艺用水通过工艺用水管路 3进入预热器 9， 在 其内被换热升温成过热水。过热水通过管路输 送至汽包 12中，在其内蒸发转化成水蒸汽。 水蒸汽再通过管路输送至过热器 6中，继续加热升温转化成具有设定压力的过� �水蒸汽。 该过热水蒸汽通过管道进入汽轮发电机 4中， 高速流动的过热水蒸汽推动汽轮发电机 4 的叶片转动发电， 所产生的电能返回到变压及整流装置 1中， 经过变压及整流后继续用 来电解水， 从而使甲烷化强放热反应中的余热得以充分利 用。 而推动汽轮机做功后产生 的乏汽则输送至乏汽冷凝器 5中， 冷凝成水后送回到工艺用水管路 3中循环使用。

实施例 2: 如图 2所示的另一种利用过剩电能将二氧化碳转化� �天然气的设备， 其 结构和工艺流程与实施例 1基本相同，只是在第一级固定床反应器 13和第二级固定床反 应器 11之间还设置有中间固定床反应器 22， 中间固定床反应器 22的进口与一级换热器 7的混合气输出端相连， 中间固定床反应器 22的出口通过中间换热器 23与第二级固定 床反应器 11的进口相连。 这样设置有三级固定床反应器， 可以分三级分配 ¾与 C0 ₂ 的 甲烷化反应率， 确保原料反应完全。 同时， 可以依次降低三级固定床反应器的进出口温 度， 获得相应品质 （温度、 压力） 的蒸汽， 以适于汽轮发电机 4的需要。